劉潤(rùn)軍

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

研究人員幾乎將所有注意力集中在地下工作場(chǎng)所煤塵的控制和處理上，對(duì)地面上的煤塵控制理論和技術(shù)的研究還不夠充分。煤礦主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器逸出的煤塵是造成工業(yè)廣場(chǎng)環(huán)境質(zhì)量下降的主要污染源。為提高綠色采煤技術(shù)和改善煤礦環(huán)境質(zhì)量，對(duì)主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器的技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行研究具有重要的實(shí)踐意義和環(huán)境效益。

1 仿真模型的建立

物理模型煤礦主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器的物理模型起源于筆者工作的實(shí)例煤礦。物理模型的大小如圖1中（1-1）所示。主扇擴(kuò)散器截面積5.5m×3.2m=17.6m2。

圖1 物理模型的構(gòu)建與示意

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，主粉體擴(kuò)散器逃逸并排入大氣環(huán)境的煤塵量大，粒度分布寬，最大直徑大于5×10-3m。這些由主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器氣流攜帶的煤顆粒隨排氣擴(kuò)散，然后通過(guò)重力緩慢沉降到地面。沉降的煤顆粒直接污染了興東煤礦的工業(yè)廣場(chǎng)。

為提高工業(yè)廣場(chǎng)的環(huán)境質(zhì)量，直接排入大氣環(huán)境的煤顆粒數(shù)量減少是處理煤塵的有效途徑。而且為了盡可能減少對(duì)礦山系統(tǒng)的影響，控制設(shè)備的電阻必須降低到設(shè)備的能耗限制。因此，在慣性分離和重力沉降的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)了煤礦主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器兩種控制煤粉。物理模型如圖1中（1-2）所示。

2 模擬結(jié)果

數(shù)值模擬和結(jié)果分析兩種類(lèi)型的防塵設(shè)備的物理模型由Gambit3.23構(gòu)建和網(wǎng)格化。在應(yīng)用FLUENT6.3軟件包時(shí)，湍流模型為Realizable k-ε，耦合算法為SIMPLE，差分格式為第一上風(fēng)，并且空氣進(jìn)氣速度條件的初始值依次為8 m/s和10 m/s。FLUENT6.3研究了兩種防塵設(shè)備的數(shù)值模擬。結(jié)果如圖2所示。

圖2 物理模型壓力和速度云圖仿真示意

煤礦無(wú)擋板主扇擴(kuò)散器防塵裝置的速度分布有4個(gè)特點(diǎn)：

1）在主扇擴(kuò)散器中，下區(qū)速度較高，上行區(qū)域的速度很低。

2）在主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器內(nèi)，導(dǎo)葉附近區(qū)域的速度較高，遠(yuǎn)離導(dǎo)葉的區(qū)域速度較低。

3）從擴(kuò)散器出口到主風(fēng)扇擴(kuò)散器的腔體區(qū)域，擴(kuò)散器出口附近區(qū)域的速度較高，遠(yuǎn)離擴(kuò)散器出口區(qū)域的速度較低。

4）在該型腔區(qū)域內(nèi)，腔體區(qū)域上部低速區(qū)域范圍較大，下部腔體區(qū)域低速區(qū)域范圍較小。通過(guò)對(duì)圖2的綜合分析，8 m/s和10 m/s邊界條件的數(shù)值模擬情況下的兩個(gè)速度分布是相似的。

在下頁(yè)圖3中，煤礦無(wú)擋板主扇擴(kuò)散器防塵設(shè)備的空間流線(xiàn)分布具有4個(gè)特點(diǎn)：

1）在整個(gè)防塵設(shè)備區(qū)，流出區(qū)有8個(gè)。

2）導(dǎo)葉具有明顯的流動(dòng)干擾效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)流量周邊。

3）整個(gè)區(qū)域內(nèi)存在明顯的流動(dòng)漩渦，周邊流動(dòng)影響較強(qiáng)。

圖3 物理模型流場(chǎng)仿真示意

4）整個(gè)區(qū)域周?chē)辛鲃?dòng)分區(qū)，周?chē)?個(gè)大尺寸分區(qū)。

不完全封閉擋板主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器防塵裝置的速度分布具有4個(gè)特點(diǎn)：

1）在主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器中，下部區(qū)域的速度較高，速度上升區(qū)域較低。

2）在主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器內(nèi)，導(dǎo)葉附近區(qū)域的速度較高，遠(yuǎn)離導(dǎo)葉的區(qū)域速度較低。

3）從擴(kuò)散器出口到主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器的腔體區(qū)域，擴(kuò)散器出口附近區(qū)域的速度較高，遠(yuǎn)離擴(kuò)散器出口區(qū)域的速度較低。

4）在這個(gè)腔體區(qū)域內(nèi)，腔體區(qū)域的低速區(qū)域范圍較大，下腔體區(qū)域的低速區(qū)域范圍較小。

不完全封閉擋板主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器控塵裝置的空間流線(xiàn)分布具有4個(gè)特點(diǎn)：

1）在整個(gè)防塵設(shè)備區(qū)，流出區(qū)有8個(gè)。

2）導(dǎo)葉有明顯的實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)干涉和流動(dòng)周?chē)挠绊憽?/p>

3）整個(gè)區(qū)域內(nèi)存在明顯的流動(dòng)漩渦，周邊流動(dòng)影響較強(qiáng)。

4）整個(gè)區(qū)域周?chē)辛鲃?dòng)分區(qū)，周?chē)?個(gè)大尺寸分區(qū)。通過(guò)綜合分析，8 m/s和10 m/s邊界條件的數(shù)值模擬實(shí)例的兩個(gè)空間流線(xiàn)分布相似。

為了研究?jī)煞N防塵設(shè)備的能耗，采用面積加權(quán)平均法對(duì)兩臺(tái)設(shè)備的進(jìn)口壓力值和出口壓力值進(jìn)行了分析可以看出，兩臺(tái)設(shè)備的進(jìn)口和出口的總壓力值和靜壓值是相似的。所以?xún)膳_(tái)設(shè)備的能耗值是相似的。此外，兩臺(tái)設(shè)備對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響相似，加入阻力值低于73 Pa。

煤顆粒的數(shù)值模擬和防塵效果分析在FLUENT6.3對(duì)控制設(shè)備的數(shù)值模擬研究中，邊界條件如下：當(dāng)空氣進(jìn)氣速度初值為10 m/s時(shí)，初始值離散相的入口速度值為8 m/s，離散相的質(zhì)量為42.56 g/s；空氣進(jìn)口初速度為8 m/s時(shí)，離散相入口速度初值為6 m/s，離散相質(zhì)量為42.56 g/s；離散相為煤顆粒群，符合Rosin-Rammler分布，最大直徑為0.12 mm，最小直徑為0.02 mm，平均直徑為0.079 mm，擴(kuò)散系數(shù)為3.676；對(duì)空氣短期迭代500次，再加上1次離散相，模擬了空氣離散短語(yǔ)的耦合計(jì)算；通過(guò)這種方式，對(duì)兩種防塵設(shè)備的數(shù)值模擬進(jìn)行了研究。隨著空氣進(jìn)口速度的增加和煤顆粒速度的增加，煤粉從控制設(shè)備逃逸的概率變高，控塵效率降低。對(duì)于兩種防塵設(shè)備，無(wú)擋板的主風(fēng)機(jī)散流器低于不完全封閉擋板的主風(fēng)機(jī)散流器，且防塵效率與進(jìn)風(fēng)速度關(guān)系不大。由此可見(jiàn)，設(shè)備結(jié)構(gòu)特征的控塵效果是關(guān)鍵。

3 無(wú)擋板主風(fēng)扇散流器的應(yīng)用

通過(guò)以上分析，結(jié)果顯示：就流動(dòng)分布而言，閉式擋板擴(kuò)散器優(yōu)于無(wú)擋板式；就能量消耗而言，閉式擋板擴(kuò)散器低于無(wú)擋板；就總粉塵的防塵系數(shù)而言，在進(jìn)口速度為8 m/s的條件下，兩者的差值為9.48，在10 m/s的入口速度下，兩者的差值為5.00。雖然閉式擋板式擴(kuò)散器性能系數(shù)比非擋板式擴(kuò)散器高，但是閉式擋板式擴(kuò)散器的構(gòu)造比非擋板式擴(kuò)散器更為復(fù)雜。綜合考慮，本次風(fēng)扇擴(kuò)散器的改造應(yīng)用無(wú)擋板擴(kuò)散器。圖4顯示了完成無(wú)擋水?dāng)U散器的結(jié)構(gòu)改造前后粉塵污染情況。

圖4 風(fēng)散擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)改造前后控制粉塵對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器防塵設(shè)備的應(yīng)用是工業(yè)廣場(chǎng)煤塵治理的有效途徑。增加主散流器周?chē)髁?，可以增加煤粉慣性分離的概率和煤塵重力沉降的概率。因此，非改造型主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器的除塵效率低于無(wú)擋板主風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器的除塵設(shè)備，非擋板設(shè)備的除塵效率低于不完全封閉擋板，另外，無(wú)擋板設(shè)備與不完全封閉擋板之間的能耗相差不多。從以上角度來(lái)看，圍繞角區(qū)測(cè)量增加流量是繼續(xù)提高主扇擴(kuò)散器控制煤粉效率的一種途徑。